RU2578933C1

RU2578933C1 - Radial-end seal of turbomachine rotor

Info

Publication number: RU2578933C1
Application number: RU2015104895/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Заваруев; Лариса Фёдоровна Зенкова; Николай Владимирович Кикоть; Наталья Юрьевна Кикоть
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО"
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-03-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building and can be used in design of rotor-dynamic machines for sealing of annular slits between the stator and rotor. Radial-end seal of the machine rotor contains an annular element installed in the housing, in which slots are made so that an annular array of pins is formed; the array has projecting platforms enveloping the shaft, and a rim whose outer surface is in contact with the inner surface of the housing. Seal is equipped with a graphite ring, either split or segmented, installed in the housing, contacting with it along the face and having annular grooves. In the area of the graphite ring internal diameter, on the side of the ring element, there is an annular groove taking up protruding platforms; at that, between their outer surfaces and inner surface of the graphite ring an axial clearance is shaped. Between the outer surface of the graphite ring and inner surface of the housing a deploying spring is installed, while an axial spring is installed between the graphite ring and ring element. Expanding ring is installed at the opposite side of the ring element and is fixed in the housing, while the annular plate is installed in the housing between the ring element and expanding ring and contacts with them along the faces.

EFFECT: invention reduces air leaks in all operating conditions of the seal, and also provides for separation of oil and air cavities of the device.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях турбомашин для уплотнения кольцевых щелей между статором и ротором.The invention relates to the field of engineering and can be used in the construction of turbomachines for sealing annular slots between the stator and the rotor.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрано пальчиковое уплотнение, содержащее установленный в корпусе кольцевой элемент, в котором выполнены пазы с образованием кольцевого массива пальчиков, имеющий выступающие площадки, охватывающие вал и выполненные на свободных концах пальчиков зацело с последними, а также обод, выполненный зацело с кольцевым элементом и контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса, причем пазы кольцевого элемента заходят на часть его обода, а размер обода в осевом направлении превышает размер выступающих площадок в осевом направлении (см. патент RU 2442051 С1).As the closest analogue (prototype), a finger seal is selected that contains an annular element installed in the housing, in which grooves are formed to form an annular array of fingers, having protruding platforms covering the shaft and made at the free ends of the fingers integrally with the latter, as well as a rim made integral with the annular element and in contact with its outer surface with the inner surface of the housing, and the grooves of the annular element go to part of its rim, and the size of the rim in axial pressure The pressure exceeds the protruding areas in the axial direction (See. Patent RU 2442051 C1).

Известному техническому решению присущи следующие недостатки:The known technical solution has the following disadvantages:

В уплотнении бесконтактный режим работы обеспечивается за счет балансировки пальчиков в потоке воздуха, за счет возникновения в зазоре под площадками газодинамических (вызванных вращением ротора) и газостатических (определяемых осевым перепадом давления) подъемных сил, которые уравновешивают силы реакции при деформировании пальчиков. При малых частотах вращения эффективность уплотнения низкая (низкие газодинамические силы площадок), что приводит к повышенным расходам воздуха через уплотнение. Постановка этого уплотнения в зону разделения масляной полости и воздушной полости может привести к повышенному расходу масла, также попадание масла в зазор между контактной втулкой и подъемными площадками пальчиков на малых частотах вращения ротора приведет к нерасчетному режиму работы уплотнения и к возможному повреждению последнего. Это ограничивает область применения уплотнения.In the seal, the non-contact mode of operation is ensured by balancing the fingers in the air flow, due to the occurrence of gas-dynamic (caused by the rotation of the rotor) and gas-static (determined by the axial differential pressure) lifting forces in the gap under the platforms, which balance the reaction forces when the fingers are deformed. At low speeds, the sealing efficiency is low (low gas-dynamic forces of the pads), which leads to increased air flow through the seal. Putting this seal in the separation zone of the oil cavity and the air cavity can lead to increased oil consumption, as well as oil getting into the gap between the contact sleeve and the lifting platforms of the fingers at low rotational speeds of the rotor will lead to an off-design mode of the seal and possible damage to the latter. This limits the scope of the seal.

Техническими результатами, достигаемыми при использовании настоящего изобретения, является снижение перетечек воздуха на всех режимах работы уплотнения, а также разделение масляной и воздушной полостей, что расширяет область применения заявленного устройства в конструкциях турбомашин.The technical results achieved by using the present invention is to reduce air leakage at all operating modes of the seal, as well as the separation of oil and air cavities, which expands the scope of the claimed device in the design of turbomachines.

Указанные технические результаты достигаются тем, что радиально-торцевое уплотнение ротора турбомашины, содержащее установленный в корпусе кольцевой элемент, в котором выполнены пазы с образованием кольцевого массива пальчиков, имеющий выступающие площадки, охватывающие вал и выполненные на свободных концах пальчиков зацело с последними, а также обод, выполненный зацело с кольцевым элементом и контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса, причем пазы кольцевого элемента заходят на часть его обода, а размер обода в осевом направлении превышает размер выступающих площадок в осевом направлении, согласно настоящему изобретению, оно снабжено графитовым кольцом, выполненным разрезным или в виде сегментов, установленным в корпусе и контактирующим с ним по торцу, на котором выполнены кольцевые проточки, причем на участке внутреннего диаметра графитового кольца со стороны кольцевого элемента выполнена кольцевая проточка, в которую заведены выступающие площадки с образованием между их наружными поверхностями и внутренней поверхностью графитового кольца осевого зазора, браслетной пружиной, установленной между наружной поверхностью графитового кольца и внутренней поверхностью корпуса, осевой пружиной, установленной между графитовым кольцом и кольцевым элементом, разжимным кольцом, установленным с противоположенной стороны кольцевого элемента и зафиксированным в корпусе, кольцевой пластиной, установленной в корпусе между кольцевым элементом и разжимным кольцом и контактирующей с ними по торцам.These technical results are achieved in that the radial-mechanical seal of the rotor of the turbomachine, containing an annular element installed in the housing, in which grooves are formed to form an annular array of fingers, having protruding platforms covering the shaft and made at the free ends of the fingers integrally with the latter, as well as the rim made integrally with the annular element and in contact with its outer surface with the inner surface of the housing, and the grooves of the annular element go to part of its rim, and p the rim size in the axial direction exceeds the size of the protruding pads in the axial direction, according to the present invention, it is equipped with a graphite ring, made split or in the form of segments, mounted in the housing and in contact with it at the end on which the annular grooves are made, and in the area of the inner diameter of a graphite ring, an annular groove is made on the side of the annular element, into which protruding platforms are introduced with the formation between their outer surfaces and the inner surface of the gra axial clearance fit ring, a bracelet spring mounted between the outer surface of the graphite ring and the inner surface of the housing, an axial spring mounted between the graphite ring and the ring element, an expanding ring mounted on the opposite side of the ring element and fixed in the housing, an annular plate mounted in the housing between the annular element and the expanding ring and in contact with them at the ends.

Такое выполнение устройства позволяет следующее. При малых частотах вращения ротора, когда низкие значения газодинамического давления в зазоре между подъемными площадками и контактным кольцом, уплотнение работает как обычное контактное графитовое уплотнение, достоинством которого являются низкие перетечки воздуха и хорошая защита масляных полостей от попадания масла в воздушную полость. С увеличением частоты вращения давление в вышеупомянутом зазоре возрастает, площадки всплывают, и уплотнение работает как бесконтактное пальчиковое, включающее все достоинства пальчикового уплотнения. При этом площадки оказывают радиальное воздействие на графитовое кольцо, исключая контакт этого кольца с валом и исключая износ графитового кольца. Кольцевые проточки в графитовом кольце снижают площадь контакта с торцом корпуса, также снижая при этом трение и износ. Графитовое кольцо держит кольцевую форму и осевое положение за счет браслетной и осевой пружин, последняя из которых прижимает пальчики к кольцевой пластине, исключая перетечки воздуха в зазорах между пальчиками. Таким образом повышается ресурс уплотнения, расширяется диапазон его работы и область применения в узлах турбомашин.This embodiment of the device allows the following. At low rotor speeds, when the low values of gas-dynamic pressure in the gap between the lifting platforms and the slip ring, the seal works like a regular graphite contact seal, the advantage of which is low air leakage and good protection of oil cavities from oil entering the air cavity. With an increase in the rotational speed, the pressure in the aforementioned gap increases, the pads float, and the seal works like a contactless finger, which includes all the advantages of a finger seal. In this case, the sites have a radial effect on the graphite ring, excluding the contact of this ring with the shaft and eliminating the wear of the graphite ring. The annular grooves in the graphite ring reduce the contact area with the end face of the housing, while also reducing friction and wear. The graphite ring holds the ring shape and axial position due to the bracelet and axial springs, the last of which presses the fingers against the ring plate, eliminating air leakage in the gaps between the fingers. Thus, the sealing resource is increased, the range of its operation and the scope in the nodes of turbomachines are expanded.

Сущность настоящего изобретения поясняется чертежом, где изображен продольный разрез заявленного радиально-торцевого уплотнения ротора турбомашины.The essence of the present invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of the claimed radial-mechanical seal of the rotor of the turbomachine.

Радиально-торцевое уплотнение ротора турбомашины содержит установленный в корпусе 1 кольцевой элемент 2, в котором выполнены пазы с образованием кольцевого массива пальчиков, имеющий выступающие площадки 3, охватывающие вал 4 и выполненные на свободных концах пальчиков зацело с последними, а также обод 5, выполненный зацело с кольцевым элементом 2 и контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса 1, причем пазы кольцевого элемента 2 заходят на часть его обода 5, а размер обода 5 в осевом направлении превышает размер выступающих площадок 3 в осевом направлении. При этом радиально-торцевое уплотнение ротора турбомашины снабжено графитовым кольцом 6, выполненным разрезным или в виде сегментов, установленным в корпусе 1 и контактирующим с ним по торцу, на котором выполнены кольцевые проточки 7, причем на участке внутреннего диаметра графитового кольца 6 со стороны кольцевого элемента 2 выполнена кольцевая проточка, в которую заведены выступающие площадки 3 с образованием между их наружными поверхностями и внутренней поверхностью графитового кольца 6 осевого зазора, браслетной пружиной 8, установленной между наружной поверхностью графитового кольца 6 и внутренней поверхностью корпуса 1, осевой пружиной 9, установленной между графитовым кольцом 6 и кольцевым элементом 2, разжимным кольцом 10, установленным с противоположенной стороны кольцевого элемента 2 и зафиксированным в корпусе 1, кольцевой пластиной 11, установленной в корпусе 1 между кольцевым элементом 2 и разжимным кольцом 10 и контактирующей с ними по торцам.The radial-mechanical seal of the rotor of the turbomachine contains an annular element 2 installed in the housing 1, in which grooves are formed to form an annular array of fingers, having protruding pads 3, covering the shaft 4 and made at the free ends of the fingers integrally with the latter, as well as the rim 5, made integrally with the annular element 2 and in contact with its outer surface with the inner surface of the housing 1, and the grooves of the annular element 2 go to part of its rim 5, and the size of the rim 5 in the axial direction exceeds times measures protruding pads 3 in the axial direction. In this case, the radial-end seal of the rotor of the turbomachine is equipped with a graphite ring 6, made split or in the form of segments, installed in the housing 1 and in contact with it at the end on which the annular grooves 7 are made, and on the portion of the inner diameter of the graphite ring 6 from the side of the ring element 2, an annular groove is made into which the protruding pads 3 are brought in to form an axial clearance between their outer surfaces and the inner surface of the graphite ring 6, a bracelet spring 8, between the outer surface of the graphite ring 6 and the inner surface of the housing 1, an axial spring 9 installed between the graphite ring 6 and the annular element 2, an expanding ring 10 mounted on the opposite side of the annular element 2 and fixed in the housing 1, the annular plate 11 installed in the housing 1 between the annular element 2 and the expanding ring 10 and in contact with them at the ends.

Работа подшипника осуществляется следующим образом.The operation of the bearing is as follows.

При малых частотах вращения газодинамические силы, действующие на выступающие площадки 3 кольцевого элемента 2, низкие, поэтому данная часть уплотнения не работает. Работает в качестве уплотнения графитовое кольцо 6, которое контактирует с валом 4 и торцом корпуса 1, давление контакта при этом обеспечивается браслетной пружиной 8 в радиальном направлении и осевой пружиной 9 по торцу корпуса 1. С увеличением частоты вращения давление в зазоре между выступающими площадками 3 и валом 4 возрастает, выступающие площадки 3 всплывают, и уплотнение работает как бесконтактное пальчиковое. При этом выступающие площадки 3 оказывают радиальное воздействие на графитовое кольцо 6, исключая контакт последнего с валом 4 и снижая износ графитового кольца 6 при повышенных частотах вращения. При этом кольцевая пластина 11 закрывает зазоры между пальчиками кольцевого элемента 2, исключая при этом перетечки воздуха. Таким образом повышается ресурс заявленного уплотнения, расширяется диапазон его работы и область применения в узлах турбомашин.At low speeds, the gas-dynamic forces acting on the protruding pads 3 of the annular element 2 are low, so this part of the seal does not work. A graphite ring 6 acts as a seal, which contacts the shaft 4 and the end face of the housing 1, and the contact pressure is provided by a bracelet spring 8 in the radial direction and an axial spring 9 along the end of the housing 1. As the speed increases, the pressure in the gap between the protruding pads 3 and the shaft 4 increases, the protruding pads 3 float, and the seal works like a fingerless contact. In this case, the protruding pads 3 have a radial effect on the graphite ring 6, excluding the contact of the latter with the shaft 4 and reducing the wear of the graphite ring 6 at higher rotational speeds. In this case, the annular plate 11 closes the gaps between the fingers of the annular element 2, excluding air overflow. This increases the resource of the claimed seal, expanding the range of its operation and scope in the nodes of turbomachines.

Claims

The radial-mechanical seal of the rotor of the turbomachine, containing an annular element installed in the housing, in which grooves are formed to form an annular array of fingers, having protruding platforms covering the shaft and made at the free ends of the fingers integrally with the latter, as well as a rim made integrally with the annular element and in contact with its outer surface with the inner surface of the housing, and the grooves of the annular element extend onto a part of its rim, and the rim size in the axial direction exceeds the size of the protrusion axial direction of the falling sites, characterized in that it is provided with a graphite ring, made split or in the form of segments, mounted in the housing and in contact with it at the end on which the annular grooves are made, moreover, on the portion of the inner diameter of the graphite ring from the side of the annular element an annular groove into which protruding platforms are brought in to form an axial clearance between their outer surfaces and the inner surface of the graphite ring, a bracelet spring, is installed between the outer surface of the graphite ring and the inner surface of the housing, an axial spring mounted between the graphite ring and the annular element, an expandable ring mounted on the opposite side of the annular element and fixed in the housing, an annular plate mounted in the housing between the annular element and the expandable ring and in contact with them at the ends.